Adv Mater丨开发短程力调控mRNA组装-释放平衡LNP新方法|mrna|动力学|基团|氢键|细胞|脂质

mRNA技术作为生物医药领域的革命性突破，在疫苗开发、肿瘤治疗和基因编辑等方面展现出巨大潜力。多种组分组装的脂质纳米颗粒（LNPs）已经成为mRNA的主要的递送载体。

然而，脂质纳米颗粒（LNP）递送信使 RNA（mRNA）的一个关键挑战在于稳定封装与高效细胞内释放之间的权衡：可电离脂质是LNP的功能核心，它通过静电作用与mRNA结合。然而，这种长程库仑力是一把“ 双刃剑 ”：在酸性条件下，它能够稳定封装mRNA；但在生理条件下，过强的静电吸附反而会阻碍mRNA释放，降低蛋白表达效率。研究表明，即使是较小的siRNA（约20 nt），也只有1-2%能够到达细胞质。对于更大的mRNA（>4000 nt），这一挑战更为严峻。

近日，中国科学院过程工程研究所生物药制备与递送全国重点实验室马光辉院士团队：夏宇飞研究员、黄箫喃研究员、任瑛研究员在期刊Advanced Materials发表论文Resolving the mRNA Encapsulation-Release Trade-off via Compensatory Forces in Engineered Ionizable Lipids，团队独辟蹊径，从分子间作用力的角度提出了创新解决方案。

研究团队的核心思路是：通过引入短程相互作用来补偿长程库仑力，实现封装与释放的动态平衡。团队采用了分子动力学模拟与实验干湿结合的工作流程，开发了一种“ 接触数 ”指标来评估可电离脂质（IL）与 mRNA 的结合层次。进一步有策略地将短程相互作用基团（如脲基、氨基甲酸酯）引入可电离脂质（IL）结构中，成功在mRNA与LNP之间引入“ 补偿力 ”（范德华力或氢键等短程相互作用）。利用短程相互作用的动态特性平衡长程库仑力，确保mRNA的稳定封装的同时，促进mRNA的快速解离与胞质释放。该递送系统在生理模拟条件下表现出更好的mRNA释放动力学，具有更优的mRNA表达效果，在黑色素瘤模型中实现了高效的肿瘤抑制，同时在肝脏基因编辑应用中达到了与临床基准ALC0315-LNPs相当的转甲状腺素蛋白靶向编辑效率，和显著更强的沉默效果。

图 1 破译IL/mRNA相互作用，指导LNP理性设计

在本文中，为了量化可电离脂质（IL）与mRNA之间的结合效率，研究团队开发了一个集成粗粒度分子动力学（CGMD）和全原子分子动力学（AAMD）模拟的计算-实验框架。建立了“ 接触数 ”指标来解析mRNA与LNP的结合层次。通过这一方法，他们成功将短程相互作用基团（如脲基、氨基甲酸酯）引入可离子化脂质结构中。模拟结果显示，含有脲基的GT30脂质与mRNA的接触数比临床基准ALC0315高出7.6% ，氢键数量更是达到2.5倍。这些短程相互作用在酸性条件下与库仑力协同作用，增强封装稳定性；在生理条件下则迅速主导，促进mRNA释放。

图 2 LNP分子动力学模拟，开发“接触数”评价指标

研究团队设计合成了包含不同短程相互作用基团的ILs变体（GT30、GT35）。核磁共振分析显示，GT30与mRNA混合后出现明显低场位移（δ≈1.35 ppm），表明脲基增强了氢键形成。相比之下，含醚键的GT35位移较小（δ≈1.24 ppm），相互作用较弱。纳米流式检测结果显示：GT30形成的空载LNP比例仅为2% ，而相比较GT35为10%，ALC0315为5.7%。原子力显微镜实验进一步揭示了LNP内部的力学特性。在探针穿刺和回撤过程中，GT30-LNPs表现出更强的内聚力（0.086±0.009 nN）和更明显的力波动，说明其结构更加紧密有序。同步辐射光源小角X射线散射证实， GT30-LNPs具有更紧凑的层状结构，散射强度更高，层间重复距离更小（46 Å vs 52 Å）。特别是在40%脂质比例下，这种结构优势更加明显。这一策略实现的“ 智能释放 ”特性。在模拟细胞质条件下，GT30-LNPs（40%脂质比例）在12小时内表现出快速的mRNA释放，而传统配方释放缓慢。更好的释放动力学转化为优异的体内表现。肌肉注射实验显示，GT30-LNPs产生的荧光素酶表达信号比基准提高 1.8倍。更重要的是，增强的短程相互作用使得降低脂质比例成为可能，这有助于减少潜在副作用。

团队进一步设计了结构独特的OT系列脂质，其中OT13专门引入叔胺头基和氢键供体脲基，在保持质子化能力的同时增强短程相互作用。在带状疱疹疫苗模型中，OT13-LNPs表现出卓越性能：1）诱导 3.1倍的gE抗原特异性IFN-γ+ T细胞；2）产生 2.9倍的IL-2+ T细胞；3）CD8+ T细胞扩增显著增强，效应记忆T细胞增加 1.6倍；（相较OT01脂质）在黑色素瘤治疗模型中，结果更加惊人：OT13-LNPs使肿瘤体积减少77.9% ，中位生存期延长至38天，显著优于对照组。这展示了该策略在肿瘤免疫治疗中的巨大潜力。

肝脏是许多遗传性疾病的重要靶点。研究团队通过静脉注射评估了LNP的肝脏表达能力。荧光素酶表达实验显示，OT13-LNPs在肝脏中的表达强度是OT01-LNPs的 2.0倍，与临床基准ALC0315相当。利用Cre-LoxP Ai9报告基因小鼠模型证实，OT13-LNPs能够高效转染82.1%的肝血窦内皮细胞、29.7%的肝细胞和93.8%的Kupffer细胞。

在CRISPR-Cas9基因编辑实验中，OT13-LNPs在 0.5 mg/kg剂量下实现了与ALC0315相当的TTR基因编辑效率，但血清TTR蛋白水平降低超过 90% ，显著优于ALC0315-LNPs（约58%）。

总结

这项研究的创新之处在于从根本作用力层面重新思考了LNP设计原则。团队通过系统实验阐明了补偿作用力的工作机制：在低pH值（封装阶段）：库仑力驱动mRNA复合，同时短程相互作用占据相邻结合位点，协同增强缩合稳定性；在生理pH值（释放阶段）：去质子化减弱静电作用，短程相互作用的瞬时特性迅速破坏复合物凝聚力，促进mRNA解离和释放。这种动态平衡使得工程化LNP能够在不同生理环境下自动调整其结合特性，实现“ 在正确的时间做正确的事 ”。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202512235

制版人：十一

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